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福建农林大学关雄/潘晓鸿团队: 可持续农业中的纳米生物农药 - 发展、挑战和前景

日期: 来源:RSC英国皇家化学会收集编辑:关雄/潘晓鸿团队

背景简介

近年来,具有生物可降解性、响应性和生物相容性的环境友好型纳米材料在探索安全高效的农药方面引起了人们的极大兴趣,应用纳米技术开发新的纳米农药制剂可以降低化学农药的危害并提高生物农药的药效,同时有利于开发稳定性高、生物安全性好以及对目标害虫活性更强的低毒生物农药。目前,关于纳米农药的研究论文、评论和书籍比较全面,但关于纳米生物农药的综述却相对较少。






近日,福建农林大学的关雄教授潘晓鸿副教授团队详细综述总结了纳米技术在生物农药制剂(如纳米杀虫剂、纳米杀菌剂、纳米生物除草剂和 RNA 杀虫剂)的应用,探索纳米生物农药在植物中可能存在的吸收和运输机制,分析其对环境的影响,并描述了纳米生物农药面临的挑战与潜在的风险。

这篇综述为生物农药领域中的最新纳米技术提供了一个较全面的环境视角。该综述题为“Nanobiopesticides in sustainable agriculture: developments, challenges, and perspectives”(《可持续农业中的纳米生物农药:发展、挑战和前景》),发表在英国皇家化学会期刊 Environmental Science: Nano 上。

论文详解

1. 纳米生物农药的应用及其限制因素

纳米技术作为“下一次工业革命”,已被广泛用于改善农业。这是一项充满希望和魅力的技术,为农业和农业技术领域的下一次革命打开了一扇新的大门。近年来,人们针对纳米技术在农业中的应用进行了大量的研究和实践,其应用可分为纳米农药、农业诊断、纳米肥料、纳米生物传感器、污染管理以及可持续农业等 (图 1a),2019 年纳米农药被 IUPAC(国际纯粹与应用化学联合会)评为将改变世界的十大化学新兴技术之首。

生物农药具有毒性小、溶解性好和残留量低的特点,能克服化学农药在农业生产中的不良影响。然而,生物农药药效低、持效期短、田间效果不稳定以及成本高等问题,极大地限制了生物农药的发展与应用,在全球作物保护市场中仅占很小的比例(约5%的市场份额,全球价值约30亿美元)。农药/生物农药的不良性能迫使研究者开发新的具有成本效益的替代策略。因此,纳米技术在农药中的引入可以有效避免传统农用化学品或生物源农药的负面因素制约,并有助于开发毒性更低的生物农药,提高活性成分的稳定性和生物安全性,增强对靶标害虫的活性(如图 1b所示)。

图 1. a)纳米技术在农业中的应用:可实现有效成分的可控释放,增加溶解度,且具有持续时间延长、靶向性和适配性强等特点。b) 基于纳米技术可以解决生物农药应用的一些限制因素。

2. 纳米生物农药的主要载体及其种类
此外,综述还重点阐述了常见的纳米生物农药载体。一般来说,聚合物和粘土基纳米材料被认为是生物相容性好、成本效益高和刺激响应性的纳米载体,壳聚糖、纤维素和聚乳酸是最常见的天然聚合物,常被用于开发活性成分的纳米胶囊、纳米球、纳米(水)凝胶和纳米微粒。另外,介孔二氧化硅和蒙脱土是典型的具有高活性成分封装的粘土基纳米材料,具有较高的活性成分封装容量。另外纳米壳聚糖,LDHs,二氧化硅以及氢氧化镁等均为目前应用较为广泛的纳米生物农药载体。

纳米生物农药,目前主要包括纳米杀虫剂、纳米杀菌剂、纳米生物除草剂和 RNA 杀虫剂。综述详细阐述了不同类型的纳米生物农药的应用现状,并针对每种类型纳米生物农药的主要代表具体分析其应用情况及发展趋势。

3. 纳米生物农药在植物中的吸收和转运
近年来,许多研究集中在智能控释纳米农药配方的构建和生物活性评价方面。纳米农药在植物中的摄取、运输和分布还不完全清楚,纳米颗粒(NPs)引起的植物毒性和遗传毒性也很少被考虑。
事实上,了解纳米农药与植物之间的相互作用行为不仅有助于设计新的纳米载体系统,更有助于揭示其生物累积效应和生物安全性,为纳米农药的安全使用提供指导。农药在叶片表面的高效沉积和强粘附是减少农药损失和提高利用效率的关键因素,NPs 由于其大比表面积和高表面反应特性,很容易通过静电吸附、机械粘附和疏水亲和性在植物表皮上吸附或聚集。

纳米农药与植物的相互作用主要包括三个步骤: 

(1) NPs 沉积或吸附在植物表面(根、茎、叶);
(2) NPs 渗入角质层和表皮,然后通过同质体或外质体向维管组织迁移;
(3) NPs 通过维管组织被运送到植物的其他部位(如图2所示)。
尽管在根(有气孔的表皮、叶肉和维管组织)和叶(毛状体、角质层褶皱和蜡晶体)中存在相似的特征,但根和叶的不同形态特征会导致NPs进入的障碍不同,同时,NPs 的积累和转运也取决于纳米颗粒的形状、施用方法和植物组织的性质,NPs 从叶片到根系的转运是通过韧皮部转运机制实现的。

图 2. 植物中 NPs 的吸收和运输过程示意图。NPs 能在植物(根、茎、叶)表面沉积或吸附,或渗入角质层和表皮,再通过同质体或外质体向维管组织迁移,或者通过维管组织输送到植物的其他部位。

总结展望

纳米技术有望通过传统农药/生物农药的纳米化来提高其有效性和安全性,是解决农业生产难题的最有潜力的解决方案之一。纳米制剂的发展将促进未来十年纳米生物农药在农业生产领域的应用。

本综述简要说明了一些纳米材料的潜在用途,并结合当前和未来的应用场景讨论了纳米技术在各类生物农药中的应用策略。评估了纳米生物农药在植物中的吸收和转运,并讨论了纳米生物农药在使用中涉及的现场评估、法规和风险。

我们相信,未来在政府、研究机构和社会的共同关注和努力下,纳米技术在农业中的应用会越来越广泛,越来越多的纳米生物农药会被开发应用,为解决世界粮食危机发挥更多更大的作用。

论文信息

Nanobiopesticides in sustainable agriculture: developments, challenges, and perspectives
X. Pan*, X. Guo, T. Zhai, D. Zhang, W. Rao, F. Cao and X. Guan*
Environ. Sci.: Nano, 2023, 10, 41-61
https://doi.org/10.1039/D2EN00605G

作者简介

潘晓鸿 副教授

福建农林大学

本文第一/通讯作者,生物农药与化学生物学教育部重点实验室副主任,福建农林大学植物保护学院副教授,硕士生导师,入选第二届福建省科协青年人才托举工程,中国农业生物技术学会微生物生物技术分会理事。在纳米农药、纳米材料抗菌机制等领域取得多项成果,以第一或者通讯作者在《Environmental Science & Technology》,《Water Research》,《Chemical Engineering Journal》,《Journal of Hazardous Materials》,《ACS Applied Materials & Interfaces》,《Journal of Agricultural and Food Chemistry》等国际重要学术期刊发表多篇论文,目前主要开展纳米材料在农药中的应用及其增效机制的研究。








关雄 教授

福建农林大学

本文通讯作者,福建农林大学植物保护学院二级教授,博士生导师。全国优秀教师、全国优秀科技工作者、国家科技奖获得者、新世纪百千万人才工程国家级人选、中国侨联“中国侨界贡献奖”、建国 70 年纪念章获得者、国务院特殊津贴专家。主持国家重点研发计划、国家 863、国家发改委、国家自然科学基金、教育部、卫生部等课题,研究成果获 2010 年国家科技进步奖(第1获奖者),有 120 余篇论文被 SCI 收录,获授权国家发明专利 28 项,主要从事生物农药研究。

相关期刊

Nano aspects of environmental science and sustainability

rsc.li/es-nano

Environ. Sci.: Nano

2-年影响因子*9.473
5-年影响因子*9.35
最高 JCR 分区*Q1 环境科学
CiteScore 分13
中位一审周期48.5 天


Environmental Science: Nano 全面报道具有环境用途的工程纳米材料的设计和应用研究,以及人工与天然纳米材料在生物和环境体系中的相互作用。发文范围包括但不限于:纳米材料在水、空气、土壤、食物和能源可持续性等领域的新应用;纳米材料在生物系统中的相互作用以及纳米毒理学研究;纳米尺度材料的环境宿命、反应性和转化;环境中的纳米尺度过程;可持续性纳米技术,包括纳米材料的合理设计、生命周期评价、风险/效益分析等。

Editor-in-Chief

  • Peter Vikesland

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